(57)【要約】【課題】製造が容易で効率的なアクセスが可能な記憶装置を提供する。【解決手段】媒体記憶装置が提供される。この装置は、ビーム送信器からのビーム照射を受けている間に光を放出することができるルミネッセンス材料を含むルミネッセンス層(830,920,1020)と、ルミネッセンス層(830,920,1020)から放出された光を検出するための検出器(810,930,1010)と、ルミネッセンス層(830,920,1020)に近接して配置された相変化層(820,910,1030)とから構成される。相変化層(820,910,1030)は、第１の相から第２の相に変化することができる。ルミネッセンス層(830,920,1020)から放出されて、検出器(810,930,1010)によって受光される光は、相変化層(820,910,1030)が第１の相から第２の相に変化するときに大きく変化する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームを送信するように構成されるビーム送信機とともに用いるためのデータ記憶デバイスであって、
前記ビーム送信機からの前記ビームによって衝撃を与えられているときに光を放出することができるルミネッセンス材料を含むルミネッセンス層と、
前記ルミネッセンス層から放出された前記光を検出するために前記ルミネッセンス層の近くに配置される検出器と、
前記ルミネッセンス層と前記検出器との間に配置される相変化層であって、第１の相から第２の相に変化することが可能な相変化層
とを備え、
前記ルミネッセンス層から放出され、前記検出器によって受光される光は、前記相変化層が前記第１の相から前記第２の相に変化するときに大きく異なることからなる、データ記憶デバイス。
【請求項２】
前記相変化層の前記第１の相は、前記相変化層の前記第２の相よりも、前記相変化層を通して前記ルミネッセンス層から前記検出器までかなり多くの光が透過できる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記相変化層の前記第１の相は、前記相変化層の未書込みの領域を表し、前記相変化層の前記第２の相は前記相変化層の書込み済みの領域を表す、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記相変化層の前記第１の相は、前記相変化層の書込み済みの領域を表し、前記相変化層の前記第２の相は、前記相変化層の未書込みの領域を表す、請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ビームは、前記相変化層を前記第１の相から前記第２の相に変化させるだけの十分な電力を持たない低電力密度の光子ビームからなる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記ビームは、前記相変化層を前記第１の相から前記第２の相に変化させるだけの十分な電力を持たない低電力密度の電子ビームからなる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ルミネッセンス層と前記相変化層は隣接し、界面を共有することからなる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記界面は、放射性の再結合率と非放射性の再結合率を有し、それらの各々は、前記相変化層の近傍領域が前記第１の相状態であるか、前記第２の相状態であるかに依存することからなる、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記ルミネッセンス層は、ＹＡＧベースの材料、希土類元素ドーパント、ＹＡＰベースの材料、ＧａＮ、Ｚｎ酸化物、Ｚｎ硫化物およびＳｉ３Ｏ４のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記ルミネッセンス層は光学的に中性の媒体と、該光学的に中性の媒体の中にある光学的に活性のナノ粒子とを含む、請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括的には高密度データ媒体の熱書込みの分野に関し、より詳細には、高密度データ記録製品を形成する特定の組成物および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
相変化媒体は、高密度データ記憶を実現するために幅広く用いることができる手段であり、そのような媒体はとりわけＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＡＭおよびＤＶＤ−ＲＷの形式を含む。このタイプの媒体では、データは、ある特定の場所、通常ミクロンサイズの場所に記憶され、ターゲット領域の微小構造に基づいて記憶および消去が行われる。図１は、Ｇｉｂｓｏｎ他への米国特許第５，５５７，５９６号（‘５９６号特許）に開示される超高密度データ記憶デバイスを示す。その超高密度データ記憶デバイスは、１組の電界放出器１００と、電界放出器１００の下に配置されるデータ記憶層１１０と、電界放出器１００の下にデータ記憶層１１０を保持し、かつ電界放出器１００に対して所望の場所にデータ記憶層１１０を配置することができる超小型可動子１２０と、電界放出器１００にエネルギーを供給することができる電気的接続１３０とを備える。エネルギーを供給されるとき、電界放出器１００は電子ビームでデータ記憶層１１０に衝撃を与えることができ、データ記憶層のナノメートルスケールの部分を、図１に参照番号１４０によって示される未書込みのデータビットから、参照番号１５０によって示される書込み済みのデータビットに変化させることができる。この変化は、以下に説明される書込み過程によって行われる。
【０００３】
データ記憶層１１０にデータを書き込むとき、個々の電界放出器１００が電気的接続１３０を通してエネルギーを供給され、選択された未書込みのデータビット１４０に電子ビームで衝撃を与える。その書込み過程において、電子ビームは、衝撃を与えられた未書込みのデータビット１４０を、第１の材料状態（たとえば結晶状態であり、それは「０」値に割り当てられることができる）から第２の材料状態（たとえば非晶質状態であり、それは「１」値に割り当てられることができる）に変化させるだけの十分な電力密度を有する。それゆえ、結晶状態の未書込みのデータビット１４０に衝撃を与え、そのデータビット１４０を適切に冷却（急冷）して、非晶質状態の書込み済みのデータビット１５０をそれぞれ形成することにより、「１」の値を有するデータビットをデータ記憶層１１０に書き込み、記憶することができる。
【０００４】
データ記憶層１１０からデータを消去するとき、個々の電界放出器１００が、電気的接続１３０を通してエネルギーを供給され、選択された書込み済みのデータビット１５０に電子ビームで衝撃を与える。消去過程において、電子ビームは、衝撃を与えられた書込み済みのデータビット１５０を、第２の材料状態（たとえば非晶質状態であり、それは「１」値に割り当てられることができる）から第１の材料状態（たとえば結晶状態であり、それは「０」値に割り当てられることができる）に変化させるだけの十分な電力密度を有する。それゆえ、非晶質状態の書込み済みのデータビット１５０に衝撃を与え、それによりデータビット１５０を適切に加熱（アニール）し、結晶状態の消去済みのデータビット１４０を形成することにより、「０」の値を有するデータビットをデータ記憶層１１０上に復元することができる。
【０００５】
記憶層１１０からデータを読み出すとき、電界放出器１００は再びデータビット１４０、１５０に電子ビームで衝撃を与える。しかしながら、先に説明されたように、データビット１４０、１５０を第１の材料状態と第２の材料状態との間で変化させるだけの十分なエネルギーを有する電子ビームで、データビット１４０、１５０に衝撃を与える代わりに、電界放出器１００は、変化はさせないが、識別できるようにする相対的に低い電力密度の電子ビームで、データビット１４０、１５０に衝撃を与える。その際、データを読み出すために、低電力密度の電子ビームとデータビット１４０、１５０との間の相互作用がモニタされる。
【０００６】
読出し動作中、低電力密度のビームは、書込み済みのデータビット１５０とは異なるように、未書込みのデータビット１４０と相互作用する。たとえば、低電力密度のビームは、非晶質状態の書込み済みのデータビット１５０に衝撃を与えるときよりも、結晶状態の未書込みのデータビット１４０に衝撃を与えるときに少ない二次電子を生成することができる。それゆえ、相対的に低い電力密度のビームと、そのビームが衝撃を与えているデータビット１４０、１５０との間の相互作用をモニタすることにより（たとえば、生成される二次電子の数をモニタすることにより）、衝撃を与えられたデータビット１４０、１５０が「１」値を記憶しているか、「０」値を記憶しているかを判定し、データ記憶層１１０に記憶されたデータを読み出すことができるようになる。
【０００７】
上記の設計のある特定の実施態様は、相変化材料の上にルミネッセンス材料（またはルミネッセント材料。以下同じ）を用いており、さらに相変化材料は光検出器の上に位置している。書込み済みの構成および未書込みの構成の両方における相変化層の種々の状態は、ルミネッセンス材料によって放たれる光に対して異なる吸収および／または反射係数を有する。低電力密度の電子あるいは光ビームを用いて、ルミネッセンス層（または、ルミネッセント層。以下同じ）内のルミネッセンス（光放射）を誘発することにより、データを読み出すことができる。ルミネッセンスが誘発されているルミネッセンス層のエリアの下にある相変化層の状態に応じて、相変化層を通って光検出器に達する光が増減する。対象とされている領域内の相変化層の状態は、吸収性が高いか、低いか、および／または反射性が高いか、低いかのいずれかであり、光検出器に達する光をモニタすることによって評価することができる。
【０００８】
この光モニタ法に伴う問題は、ルミネッセンス層が相変化層の上に製造されなければならないことである。ここで、「上に」とは、ベース層からさらに離隔して、あるいは媒体のベース層から外側に層を配置することを指している。相変化層の上にルミネッセンス層を配置する場合には、相変化層に有害な処理温度および条件が要求される可能性がある。さらに、ある特定の事例では、書込み過程において、ルミネッセンス層は、相変化層の相変化に影響を及ぼすために必要とされる温度変化よりも大きな温度変化に耐えなければならない。またルミネッセンス層は、いくつかの状況においては、高いエネルギーの電子による衝撃に耐えなければならない。高いエネルギーの電子による高い温度および／または衝撃は、ルミネッセンス層のルミネッセンス特性に悪影響を及ぼすことがある。
【０００９】
この方式の別の考えられる問題点は、光検出器が相変化層の下にあることであり、製造するのがさらに難しくなる可能性がある。光を透過させることを意図されている書込み済みのビットの下にある相変化層の未書込みの部分において、あまりにも多くの光が吸収あるいは反射される場合に、あるいは相変化層の底面において、あまりにも多くの光が内部反射する場合に、他の問題が生じる恐れがある。また、ある特定の設計では、相変化層に向かって下方に反射されるのではなく、ルミネッセンス層の上側表面を通して、本来なら信号を強めることできる多量の光が失われる可能性がある。ある特定の他の設計では、読出しおよび書込み過程において、望ましくない変化あるいは劣化を防ぐために、保護用の上層がルミネッセンス層上に必要とされる場合がある。
【特許文献１】米国特許第５，５５７，５９６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
比較的効率的に媒体の熱書込みおよび消去を可能し、従来の設計に関連する問題を回避する、ルミネッセンス材料および検出器とともに相変化層を備える上記媒体を提供することが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による構成の第１の態様によれば、ビームを送信するように構成されるビーム送信機とともに用いるためのデータ記憶デバイスが提供される。そのデバイスは、ビーム送信機からの読出しビームによって衝撃を与えられているときに光を放出することができるルミネッセンス材料を含むルミネッセンス層と、ルミネッセンス層から放出された光を検出するためにルミネッセンス層の近くに配置される検出器と、ルミネッセンス層と検出器との間に配置される相変化層とを備える。相変化層は第１の相から第２の相に変化することができる。ルミネッセンス層から放出され、検出器によって受光される光は、相変化層が第１の相から第２の相に変化するときに著しく異なる。
【００１２】
本発明による構成の第２の態様によれば、ビームを送信するように構成されるビーム送信機とともに用いるためのデータ記憶デバイスが提供される。そのデバイスは、ビーム送信機からのビームによって衝撃を与えられているときに光を放出することができるルミネッセンス材料を含むルミネッセンス層と、ルミネッセンス層とビーム送信機との間に配置され、第１の相から第２の相に変化することができる相変化層と、ルミネッセンス層から放出された光を検出するためにルミネッセンス層に隣接して配置される検出器とを備える。ルミネッセンス層は相変化層と検出器との間に配置される。ルミネッセンス層から放出され、検出器によって受光される光は、相変化層が第１の相から第２の相に変化するときに著しく異なる。
【００１３】
本発明による構成の第３の態様によれば、ビームを送信するように構成されるビーム送信機とともに用いるためのデバイスが提供される。そのデバイスは、ビーム送信機からのビームによって衝撃を与えられているときに光を放出することができるルミネッセンス材料を含むルミネッセンス層と、ルミネッセンス層から放出される光を検出するためにルミネッセンス層およびビーム送信機の近くに配置される検出器と、ルミネッセンス層が検出器と相変化層との間に配置されるように、ルミネッセンス層に隣接して配置される相変化層とを備える。相変化層は第１の相から第２の相に変化することができる。ルミネッセンス層から放出され、検出器によって受光される光は、相変化層が第１の相から第２の相に変化するときに著しく異なる。
【００１４】
本発明による構成の第４の態様によれば、データ記憶デバイスにデータを記憶するための方法が提供され、そのデータ記憶デバイスは、相変化層とルミネッセンス層とを備える。その方法は、そのルミネッセンス層にビームで衝撃を与えること、ルミネッセンス層が光を放出できるようにすること、検出器を用いてルミネッセンス層から放出された光を検出すること、および相変化層を第１の相から第２の相に変化させることによりデータを書き込むことを含む。ルミネッセンス層から放出され、検出器によって検出される光は、相変化層が第１の相から第２の相に変化するときに著しく異なる。
【００１５】
本発明の全ての態様のこれら目的および利点、および他の目的および利点は、添付図面と共に、以下の好ましい実施形態についての詳細な開示を読めば、当業者には明らかになるであろう。
【実施例】
【００１６】
本発明を添付図面に例示するが、それは本発明を限定するものではない。
【００１７】
図２は、超高密度データ記憶デバイスの断面図を示す。そのデバイスはビーム源２００を備えており、そのビーム源として、高あるいは低いずれかの電力密度の光ビームあるいは電子ビームｅ−を放出することができるデバイスを用いることができる。図２は、ビーム源２００によって送信される電子ビームｅ−を示す。本明細書で用いる用語「ビーム源」は、光ビームのような光学ビーム、あるいは電子ビームを放出することができるデバイスに適用することができ、記載される実施形態および添付図面は、他に指示がない限り、ビーム源から放出することができるビームのタイプに関して限定することを意図していない。図２に示される電子ビームｅ−を、サブミクロンスケールのスポットサイズに集束させることができる。
【００１８】
当該技術分野において理解されているように、ビーム源２００は、ナノメートルスケールのスポットサイズに集束することができる電子ビームを放出することができる。ビーム源２００には、電界放出器、ショットキー放出器、または電子ビームの形でエネルギーを放出することができる別のそのようなデバイス、あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザ、あるいは光ビームの形でエネルギーを放出することができる別のそのようなデバイスを用いることができる。いずれの場合でも、ビーム源２００は、所望のスポットサイズを有する高、低いずれかの電力密度のビームを供給することができる。
【００１９】
ビーム源２００に隣接し、かつ図２に示されるように、そのビーム源２００の下に、ルミネッセンス層２１０がある。ルミネッセンス層２１０は、ビーム源２００からの電子ビームあるいは光ビームによって衝撃を与えられるときに光を放出することができるルミネッセンス材料を含む。ルミネッセンス層２１０は、イットリウム−アルミニウム‐ガーネット（ＹＡＧ）ベース（すなわち、これらを少なくとも主要成分とする）あるいはイットリウム−アルミニウム−ペロブスカイト（灰チタン石）（ＹＡＰ）ベースの（すなわち、これらを少なくとも主要成分とする）材料を含むことができる。またルミネッセンス層２１０は、希土類元素ドーパントおよび／または酸化亜鉛、ＧａＮ、硫化亜鉛およびＳｉ３Ｏ４のうちの少なくとも１つを含むこともできる。
【００２０】
再び図２を参照すると、ルミネッセンス層２１０によって放出される光の一部が、破線によって表され、参照記号ｈνによって指示されている。光は概ね全ての方向に放出されるが、明瞭にするために、ルミネッセンス層２１０から下方に移動する光の部分のみが示されている。
【００２１】
ルミネッセンス層２１０に隣接して相変化層２３０が存在する。以下に説明されるように、相変化層２３０は、第１の相から第２の相に局部的に変化することができ、いくつかの実施形態では、ルミネッセンス層２１０に隣接して配置され、界面を共有することができる。いくつかの実施形態では、この界面には、反射防止コーティングが存在する場合もある。検出器２２０を、相変化層２３０の近くに（たとえば、数マイクロメートル以内に）位置するように配置することができる。別の実施形態によれば、検出器２２０は、相変化層２３０と接触している場合もある。たとえば、相変化層２３０、オプションの反射防止コーティング（図２には示されない）およびルミネッセンス層２１０を、限定はしないが、フォトダイオードあるいはフォトトランジスタのような検出器２２０上に堆積させることもできる。本明細書で用いる用語「検出器」は、本明細書に記載される機能にしたがってエネルギーを受信することができる任意のタイプの検出デバイス（検出装置）を意味することを意図しており、光子を検出するデバイスである光検出器を含むことができ、限定はしないが、フォトダイオード、フォトトランジスタおよび類似のデバイスを含むことができる。
【００２２】
超高密度データ記憶デバイスでは、特にそのデバイス内に並列な読出しチャネルが含まれるときに、複数の検出器２２０が用いられる場合がある。複数の検出器２２０が用いられるとき、隣接するデータビットと検出器２２０との間のクロストークを最小限に抑えるために、検出器２２０を、互いに対してよりも、相変化層２３０に対して近接して配置することができる。
【００２３】
先に説明した１つあるいは複数の検出器２２０は通常、ルミネッセンス層２１０から放出されている光ｈνを検出することができる。しかしながら、検出器２２０によって検出されるために、光ｈνは、検出器２２０が検出するための場所まで移動しなければならない。ある特定のデータ記憶デバイスでは、検出器２２０は、ルミネッセンス層２１０によって放出される光の波長範囲と厳密には一致しない波長範囲の光を選択的に検出するように選択される。これらのタイプの検出器２２０については後で図６を参照して説明する。
【００２４】
相変化層２３０の第１の相と第２の相との間の変化をビーム源２００によって引き起こすことができる。その変化を、ビーム源２００が、適切なパルス形状を有する十分に高い電力密度の光あるいは電子ビームを放出する場合に引き起こすことができる。電子ビームあるいは光ビームは、書込みが行われるか相が変化することになる、相変化層２３０の領域、あるいは相変化層２３０のその領域に隣接するルミネッセンス層２１０の領域に入射する（すなわち、衝撃を与える）ことができる。
【００２５】
当業者には理解されているように、相変化層２３０、あるいは相変化層２３０に隣接するルミネッセンス層２１０の領域に十分に高い電力密度のビームで繰り返し衝撃を与え、適切な冷却条件下におくと、図３にさらに詳細に図示され記載されるように、相変化層２３０の第１の相領域２５０の中に複数の第２の相領域２４０を形成することができる。
【００２６】
図２に示されるデータ記憶デバイスによれば、一旦、ルミネッセンス層２１０内で光が誘発されたなら、誘発された光の少なくとも一部が、相変化層２３０の第１の相領域２５０を通って比較的自由に移動することができる。これは、図２の第１の相領域２５０が光に対して概ね透明すなわち透過性であるためである。さらに、非透過性のフィルムで開始して、透過性のビットを書き込むこともできるであろう。図３に示されるような、光学的に透明すなわち透過性の第１の相領域２５０の事例では、光が第２の相領域２４０を通り抜けようとする場合には、その光は第２の相領域２４０によって少なくとも部分的に吸収される（ある特定の実施形態では、光のうちのある量もまた反射され、あるいは、吸収される代わりに反射される場合がある）。それゆえ、第２の相領域２４０が、図３に示されるように、ルミネッセンス層２１０内の光が誘発された場所と検出器２２０との間に配置される場合には、光の大部分あるいは全てが検出器２２０に達することができず、検出されないであろう。
【００２７】
ルミネッセンス層２１０は、相変化層２３０とともに、図２〜図３に示されるデバイスのデータ記憶媒体を構成し、第１の相領域２５０および第２の相領域２４０は個々のデータビットを構成する。所望により、第１の相領域２５０を、たとえば「０」の値に割り当てることができ、第２の相領域２４０を、たとえば「１」の値に割り当てることができる。記憶媒体からデータを読み出すとき、ビーム源２００からの低減された電力密度の電子ビームで、ルミネッセンス層２１０の局部的な領域において光放出を誘発することができるが、その電子ビームは相変化層の近傍の領域において書込みあるいは消去は引き起こさない。低減された、すなわち相対的に低い電力密度の電子ビームは、ルミネッセンス層２１０の中を移動し、光放出を誘発する。
【００２８】
検出器２２０を用いて、放出された光の受光量をモニタすることができる。光放出が誘発された場所と検出器２２０の場所との間に、放出を遮断するための第２の相領域２４０が存在しないとき、検出器２２０は相対的に多くの量の光を検出することができる。しかしながら、光放出の場所と検出器２２０の場所との間に、放出を概ね遮断する第２の相領域２４０が存在する場合には、検出器２２０は相対的に少ない量の光を検出することができる。それゆえ、概ね一定の電力を有する低い電力密度のビームで記憶媒体に絶えず衝撃を与えることにより、かつビーム源２００と記憶媒体とを相対的に動かすことにより、検出器２２０が相対的に少ない光を検出する場合には、その記憶媒体から「１」のデータビットを検出あるいは読み出すことができ、相対的に多くの量の光が検出されるときには、その記憶媒体から「０」のデータビットを読み出すことができる。これにより、図２〜図３に示される超高密度データ記憶デバイスからデータを取り出すことができるようになる。
【００２９】
図２に示されるような超高密度データ記憶デバイスへのデータの書込みは、相変化層２３０の１つあるいは複数の部分を透明な第１の相から不透明な第２の相に、あるいはその逆に変化させ、相変化層２３０の中に個々の第１の相領域２５０および第２の相領域２４０を形成することを含む。先に説明したように、相の変化は、電子ビームで相変化層２３０の選択された領域に衝撃を与え、その後、衝撃を受けた領域を適切に冷却することにより達成することができる。たとえば、ある材料を溶融するだけの十分な電力密度を有する電子ビームによって衝撃を与えられ、その後、その材料を十分に迅速に冷却して急冷する場合には、その材料の光学的に透過性の結晶性の第１の相が不透明な非晶質の第２の相になることができる。同様に、非晶質材料をその結晶化温度よりも高い温度に加熱し、それにより非晶質材料をアニールするだけの十分な電力密度を有する電子ビームによって衝撃を与えられる場合には、光学的に不透明な非晶質の第１の相が光学的に透過性の結晶性の第２の相になることができる。
【００３０】
別の例として、ビームは、上記の第２の相領域２４０を形成する、相変化層２３０内の光学的に不透明な化合物に衝撃を与え、揮発、酸化などによって不透明な化合物を透明な化合物に変化させることができる。その際、不透明な化合物は第１の材料状態になり、透明な化合物が第２の材料状態になることができる。
【００３１】
記憶媒体に書込みを行うための別の代替形態は、最初に電子ビームでルミネッセンス層２１０を局部的に加熱することを含む。その後、ルミネッセンス層２１０内の熱がルミネッセンス層２１０から相変化層２３０に散逸あるいは移動するのに応じて、その熱が相変化層２３０の一部を第１の相から第２の相に局部的に変化させることができる。そのような書込み過程は、ルミネッセンス層２１０が相変化層２３０よりも高い溶融温度を有するときに最も良好に機能する。これは、相変化層２３０に書込みを行うときに、ルミネッセンス層２１０が溶融するのを回避することが一般的に好適だからである。ルミネッセンス層２１０を、相変化層２３０が書き込まれる際に、ルミネッセンス層２１０内で達する温度によってルミネッセンス特性が損なわれることのない材料を含むように選択することもできる。
【００３２】
ルミネッセンス層２１０を局部的に加熱して、相変化層２３０を変化させることを含む書込み過程によれば、ルミネッセンス層２１０を、高い熱伝導率（たとえば、相変化層２３０に含まれる材料よりも高い熱伝導率）を有する材料を含むように選択することができる。熱伝導率が高い材料がルミネッセンス層２１０に含まれるとき、ルミネッセンス層２１０にわたる温度勾配を最小限に抑えることができ、それによりルミネッセンス層２１０の任意の部分の温度が、局部的な加熱の結果として損傷を与えるほど高くなる可能性を小さくすることができる。
【００３３】
一方、ルミネッセンス層２１０を、低い熱伝導率（たとえば、相変化層２３０に含まれる材料よりも低い熱伝導率）を有する材料を含むように選択することができる。熱伝導率が低い材料が薄いルミネッセンス層２１０に含まれるとき、相変化層２３０を変化させる熱をさらに小さく局在化させることができるので、相変化層２３０にさらに小さなデータビットを書き込むことができる。そのようにデータビットをさらに小さくすることにより、記憶媒体に記憶されることになるデータの密度をさらに高めることができるようになる。さらに、ルミネッセンス層および相変化層のための熱伝導率をさらに低くすることにより、相変化を達成するために必要とされる電力を小さくすることができ、それにより、さらに小さな電力のビーム源２００あるいは放出器を利用できるようになり、そのデバイスの全電力要件を下げるなどすることができる。
【００３４】
一旦、書込みが行われたなら、その記憶媒体はデータを記憶することができ、そのデータを先に説明された読出し方法によって読み出すことができる。これにより、サブミクロンスケール、あるいは場合によってはナノメートルスケールのデータビットでの不揮発性のデータ記憶が可能になる。
【００３５】
ある特定の実施形態では、相変化層２３０の第２の相部分２４０は、ルミネッセンス層２１０と相変化層２３０との間の界面近くに（あるいは界面に至るまで）延びることができることは理解されたい。そのような実施形態では、界面付近のルミネッセンス層の局部的放射性あるいは非放射性の再結合率は、相変化層２３０の近傍の領域が第１の相であるか、第２の相であるかによって決まるであろう。それゆえ、これらの実施形態では、ルミネッセンス層２１０に低電力密度の電子ビームで衝撃を与えるとき、その界面近くに、第１の相領域２５０が位置するか、または第２の相領域２４０が位置するかによって、異なる量の光を生成することができる。これは対照的な別の仕組みを提供し、それにより、ビーム源２００および記憶媒体を互いに対して動かしながら、検出器２２０に達する光の相対的な量を測定することにより、データビットを読み出すことができる。
【００３６】
ここで図４を参照すると、ルミネッセンス層２１０と相変化層２３０とを有する別の超高密度データ記憶デバイスの断面図が示されている。図４のデバイスは、光学的に透明な第１の相領域２５０といくつかの反射性の第２の相領域２４０とを含む相変化層２３０を備える。第１の相領域２５０は、第１の相領域２５０を通過しようとする光の大部分を透過する。しかしながら、第２の相領域２４０は、第２の相領域２４０を通過しようとする光の大部分を反射する（超高密度データ記憶デバイスのいくつかの実施形態では、第２の相領域２４０は、第２の相領域２４０を通過しようする光のかなりの部分を吸収することもでき、それは、たとえば図３の第２の相領域２４０が不透明を実現できる１つの方法である）。それゆえ、図４に示されるデバイスからデータを読み出すとき、ビーム源２００が概ね一定の電力の低減された電力密度の電子ビームを放出している間に、ビーム源２００および記憶媒体を互いに対して動かすことができる。その際、検出器２２０を用いて、検出器２２０に達する光の量をモニタすることができる。低いレベルの光が検出される結果として、「１」のデータビットを検出する、すなわち読み出すことができ、一方、高いレベルの光が検出される結果として、「０」のデータビットを検出する、すなわち読み出すことができる。その逆も可能である。
【００３７】
図２〜図３に示されるデータ記憶デバイスと同じように、第２の相領域２４０は、電子ビームと、適切な冷却条件とを用いることにより、相変化層２３０に書き込まれることができる。図２〜図５に示されるデバイスのような、いくつかのデータ記憶デバイスでは、領域を第１の相と第２の相との間で変化させるための適切な冷却条件は、周囲温度下で電子ビームを十分に迅速にオフすることを要求するだけであろう。それゆえ、冷却用の構成要素を追加する必要はないであろう。
【００３８】
ここで図５を参照すると、ルミネッセンス層２１０が光学的に中性の媒体２６０と、光学的に中性の媒体２６０内に収容される光学的に活性のナノ粒子２７０（すなわち、ナノメートルスケールの粒子）とを含む超高密度データ記憶デバイスの断面図が示されている。図５に示されるデバイスは、ビーム源２００の近くに配置され、検出器２２０に向かってルミネッセンス層２１０からの光を反射する、オプションの反射性のコーティング２７５も備える。オプションの第１の屈折率整合層２８０（それは反射防止性にすることができる）が、上記のルミネッセンス層２１０と相変化層２３０との間に配置される。オプションとして、記憶媒体は、相変化層２３０と検出器２２０との間に配置することができる第２の屈折率整合層２８５（それは反射防止性にすることができる）を備えることができる。
【００３９】
ナノ粒子２７０は、数ある材料の中でも、ＩＩ−ＶＩおよびＩＩＩ−Ｖ半導体化合物を含むことができる。ルミネッセンス層２１０は、数ある材料の中でも、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＹＡＧ、ＹＡＰおよびＺｎＳを含むことができる。相変化層２３０は、たとえば、光学記録において用いられる材料に類似のカルコゲニドをベースとする相変化材料を含むことができる。その際、第１の相領域２５０は、たとえばこれらの材料のうちの１つの材料の結晶状態にすることができ、第２の相領域２４０は、非晶質状態にすることができる。その際、選択される相変化材料は、ルミネッセンス層２１０がルミネッセンスを生じる波長範囲、および検出器２２０が反応する（感度を有する）波長範囲によって決めることができる。さらに、相変化層２３０、ルミネッセンス層２１０および検出器２２０の組み合わせを、信号対雑音比を最適にするように選択することができる。相変化層２３０の選択は、他の層に損傷を与えないようにするためにどの程度の低い融点が必要とされるか、相変化層２３０と近傍の層との反応性などによっても決めることができる。
【００４０】
反射性コーティング２７５を非常に薄くなる（たとえば、１ミクロン厚未満になる）ように選択することができ、それは、好ましくは耐熱性であり、それによりルミネッセンス層２１０との反射性コーティング２７５の界面の反射特性を損なうのを防ぐ。第１の屈折率整合層２８０および第２の屈折率整合層２８５および／または反射層を、非常に薄く、かつ耐熱性であるように選択することもできる。
【００４１】
数ある理由の中でも、ルミネッセンス層２１０、反射コーティング２７５および第１の屈折率整合層２８０を薄くする理由は、それらの層にわたる温度変化を最小限に抑えるためである。これらの層２１０、２７５、２８０が厚い場合には、放出器に最も近い表面が、相変化層２３０内の相変化を達成するために必要とされる温度よりも、はるかに高くなるであろう。層２１０、２７５、２８０を薄くする別の理由は、層２１０、２７５、２８０が厚いと、より厚みのある層によって、熱が相変化層２３０に達する前に横方向に拡散するようになるので、相変化層２３０内に小さなデータビットを書き込むのが難しくなるためである。
【００４２】
低減された電力密度の電子ビームによって衝撃を与えられるとき、このデータ記憶デバイス内のナノ粒子２７０は光を放出する。放出された光の一部は、検出されるために検出器２２０に向かって移動し、相変化層２３０内に存在する第２の相領域２４０のタイプに応じて、概ね（たとえば、８０％以上）吸収されることができるか、概ね反射されて検出器２２０から離れるようになるか、あるいはその両方である。それゆえ、図２〜図４を参照して先に説明した読出しおよび書込みステップは、図５に示されるデバイスにも容易に適用することができる。
【００４３】
図５に示される屈折率整合層２８０は、ルミネッセンス層２１０から出て移動する光の量を最大にする傾向がある。類似の屈折率を有する隣接する材料はそれらの界面においてそれほどは光を反射しないので、図５に示されるデバイスによって、屈折率整合層２８０を用いないデバイスの場合よりも多くの光を、検出器２２０に向かって移動できるようになるであろう。それゆえ、検出器２２０によって検出できるようにするために、ルミネッセンス層２１０において生成される必要がある光の量が少なくなる。
【００４４】
ここで図６を参照すると、先に説明した相変化層２３０のうちの１つに含まれることができる１つの材料の吸収スペクトル６００のグラフと、同じ材料のシフトされた放出スペクトル６１０のグラフが示されている。ある特定の超高密度データ記憶デバイスは、（吸収性のある）第２の相領域２４０を通過しようとする、第１の波長範囲（たとえば、ルミネッセンス層２１０によって放出される光の波長範囲）の光の大部分を吸収する、吸収性のある第２の相領域２４０を備える。この場合、第２の相領域２４０は、吸収された光の少なくともある量を、第２の波長範囲（たとえば、検出器２２０が反応する波長範囲）において再放出する。
【００４５】
図２、図３および図５に示されるようなデータ記憶デバイスにおいて、再放出する第２の相領域２４０が用いられるとき、一般的に、さらに別の読出し方法を利用することができる。たとえば、再放出波長範囲６１０のうちの選択された一部の小領域において光を検出する検出器２２０を設けることができる。この場合、光放出を、吸収波長範囲６００においてルミネッセンス層２１０から誘発することができる。吸収波長領域６００は、図６に示されるように、再放出波長範囲６１０とわずかに重なり合う場合があるか、あるいは再放出波長範囲６１０と全く重なり合わない場合がある。ルミネッセンス層２１０からの光放出の少なくともある量が相変化層２３０の第２の相領域２４０で吸収される場合には（すなわち、第２の相領域２４０が、ルミネッセンス層２１０における光放出の場所と検出器２２０との間にある場合には）、吸収された光放出を、第２の相領域２４０によって、再放出波長範囲６１０において少なくとも部分的に再放出することができる。
【００４６】
したがって、再放出波長範囲６１０内の波長の一部について優先的に、あるいはその部分についてだけ光を検出するが、放出波長範囲６００内の波長を検出しないように選択される検出器２２０を用いて、第２の相領域２４０を検出することができる。第２の相領域２４０の存否を検出することにより、記憶媒体から「０」および「１」のデータビットを読み出すことができる。光の吸収および／または反射の変化に基づくデバイスと比べて、検出器２２０が反応する（感度を有する）波長範囲において、より大きな差異および／またはより良好な信号対雑音比を提供することができる材料を含むように相変化層２３０を選択することができるので、そのような検出は感度を高くし、かつ／または雑音を少なくすることもできる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、相変化層２３０内の材料は、検出器２２０によってモニタされる波長範囲においてのみ、検出器２２０に達する光に大きな調節（例えば大きな変調）を施すことができる。これらの実施形態では、他の波長における調整（例えば変調）されない光の比較的一定の背景からの雑音を、調整（例えば変調）された光のみをモニタする検出器２２０を用いることにより排除することができる。選択された波長範囲のみを検出する検出器２２０を用いる別の利点は、その検出器２２０をそのデバイスのための製造工程により容易に、かつ／または安価に組み込むことができることである。
【００４８】
光を効率的に再放出するために、１つの可能性は、所望の波長において放射欠陥を引き起こす材料を相変化層２３０にドープすることである。代替的には、いくつかのダイレクトバンドギャップ（direct bandgap）相変化層２３０が、欠陥のない結晶状態において効率的に再放出することができる。本明細書に説明されるデバイスおよび方法に従って、これらの可能性のいずれかを用いることができる。
【００４９】
図７は、超高密度データ記憶デバイスにデータを記憶し、それからデータを読み出すための方法の流れ図を示す。ステップ７００は、ビームを放出することができるビーム源２００と、ビーム源２００に隣接して配置されるルミネッセンス層２１０とを有するデバイスを設けることを規定しており、ルミネッセンス層２１０は、ビームによって衝撃を与えられているときに、光を放出することができるルミネッセンス材料を含む。ステップ７１０は、ルミネッセンス層２１０の近くに配置され、光を検出するための検出器２２０と、ルミネッセンス層２１０と検出器２２０との間に配置される相変化層２３０とを設けることを規定しており、相変化層２３０は、ビーム源２００によって第１の相から第２の相に局部的に変化させることができる。その後、ステップ７２０は、光ビームを用いて、相変化層２３０の一部を第１の相から第２の相に変化させることにより、データを書き込むことを規定する。最後に、ステップ７３０は、光ビームでルミネッセンス層２１０内の光放出を誘発し、ルミネッセンス層２１０から放出され、検出器２２０に達する光をモニタすることにより、データを読み出すことを規定する。本明細書では、ビーム源に隣接し、かつ、相変化材料の上に配置されるルミネッセンス材料を有し、その相変化材料が検出器の上に配置される、図７に示す実施形態を「基本的な層設計」と呼ぶ。
【００５０】
［別の層構造］
ルミネッセンス層、相変化層および検出器の別の配置すなわち再配列が、本明細書において「第１の代替の実施形態」と呼ばれる、図８の実施形態において提供される。図８によれば、検出器８１０が相変化層８２０の上方に配置され、相変化層８２０はルミネッセンス層８３０上に堆積される。相変化層８２０は、読出しビームまたは書込みビームの場合があるビームに対して適度に透過性であり、結果として、ビームのかなりの部分がルミネッセンス層８３０に達する。読出しビームが図８〜図１０に示されているが、その図に示されるビームによって示される向きにおいて、読出しビームまたは書込みビームを与えることができることを理解されたい。図８によれば、読出しビームが、ルミネッセンス層８３０によって放出される光のスペクトルの部分に対して比較的透明な状態にある相変化層８２０の部分の下にあるルミネッセンス層８３０の部分を刺激するときに、破線によって示される、誘発されたルミネッセンス光の比較的大きな部分が検出器８１０に達する。一方、そのビームが、書込み済みのビット８４０のような、相変化層８２０の比較的不透明な相変化した領域の下にあるルミネッセンス層８３０の領域に入射する場合には、検出器８１０に達する光は少なくなる。こうして、そのシステムは、相変化層８２０の書込み済みのビットと未書込みのエリアとを区別することができる。
【００５１】
光学読出しビームが用いられる場合には、相変化層の相の局部的な変化によって影響を及ぼされる、光学ビームの波長範囲内の相変化層の透過率の差が、ルミネッセンス層８３０に達する光の量を変更し、それにより生成される光の量を変更することができる。相変化層８２０中の読出しビームの透過と、検出器８１０に達する生成されたルミネッセンス光の割合との両方を調整することの組み合わせを用いることもできる。
【００５２】
図８の記憶機構の実施形態は、光が書込み済みの領域を通過するか、未書込みの領域を通過するかに依存する、相変化材料によるルミネッセンス光の吸収を利用する。再び、システムは、電子または光学ビームを用いて、相変化層内の状態変化に局部的に影響を及ぼすことにより、データを書き込む。そのような状態変化は、適切な時間−温度プロファイルで相変化層８２０を加熱することによって、および／または電子あるいは光子を用いて衝撃を与えることにより結合および／または原子の位置を変更することによって起こすことができる。状態の変化には、非晶質相と結晶相との間の変化、あるいは異なる光学特性を有する種々の結晶相間の変化とすることができる。そのシステムは、低電力密度の電子あるいは光学ビームを用いて、ルミネッセンス層８３０において局部的にルミネッセンスを誘発し、データを読み出す。誘発された領域の上にある相変化層８２０の状態に応じて、信号を生成するために検出器８１０に達する光が増減する。ルミネッセンス層によって放出される波長における相変化材料の吸収率（または吸収係数）および／または反射率が変化することにより、検出器８１０に達する光の量を変化させることができる。この実施形態では、相変化層およびルミネッセンス層を、記憶媒体の下に配置される検出器を有する実施形態よりも、広範な基板材料上に堆積させることができる。この配列によって、基板を選択するための自由度が高くなり、より良好な相変化特性、熱および光学特性、ならびにルミネッセンス特性を有する層を成長させることができるようになる。さらに、これにより、基板に向かって図示される向きに下方に送られるルミネッセンス光を、相変化層８２０を通して検出器８１０まで反射させることができる１つあるいは複数の基板層を選択できるようになり、反射されたルミネッセンス光を、最初にルミネッセンス層８３０から相変化層８２０を通って上方に放出された光からの信号に追加することができる。こうして、書込み過程において、書込みビームは、ルミネッセンス層に達する前に相変化層に入射する。これは、ルミネッセンス層に悪影響を及ぼすことなく、相変化層内の相変化に影響を及ぼすのを容易にし、相変化層がルミネッセンス層の下にある実施形態よりも、書込みのために必要とされる電力を削減することもできる。
【００５３】
その設計のある特定の構成では、相変化層を、電子読出しビームのかなりの部分が相変化層８２０を通ってルミネッセンス層８３０に達するように、十分に薄く形成することができる。そのような構成において相変化層に許容される厚みは、電子ビームのエネルギーが高いほど、および質量密度が低いほど、および／または相変化層の原子番号が小さいほど増える傾向がある。
【００５４】
図１１は、図８に示される第１の代替の実施形態による超高密度データ記憶デバイスにデータを記憶し、それからデータを読み出すための方法の流れ図を示す。ステップ１１００は、ビームを放出することができるビーム源２００を有するデバイスを設けることを規定する。ステップ１１１０は、光エネルギーを検出するために、ビーム源２００に隣接して検出器８１０を設けることを規定する。ステップ１１２０は、ビームによって衝撃を与えられているときに光を放出することができるルミネッセンス材料を含むルミネッセンス層８３０と、検出器８１０とルミネッセンス層８３０との間に配置され、ビーム源によって第１の相から第２の相に局部的に変化させることができる相変化層８２０とを設けることを規定する。その後、ステップ１１３０は、光ビームを用いて、相変化層８２０の一部を第１の相から第２の相に変化させることによりデータを書き込むことを規定する。最後に、ステップ１１４０は、光ビームでルミネッセンス層８３０において光放出を誘発し、ルミネッセンス層８３０から放出され、検出器８１０に達する光をモニタすることによりデータを読み出すことを規定する。
【００５５】
ここでは「第２の代替の実施形態」と呼ぶ、本発明による構成の別の実施形態が図９に示されている。この構成では、相変化層９１０がルミネッセンス層９２０に隣接し、ルミネッセンス層９２０からのエネルギーが検出器９３０に達する。したがって、相変化材料がルミネッセンス材料の上に配置され、検出器がルミネッセンス材料の下に位置する。この実施形態では、その記憶機構は、システムが書込み済みの領域をアドレス指定するか、未書込みの領域をアドレス指定するかに応じて、相変化材料によるルミネッセンス光の反射が変化することを利用する。ビットは、上記のように、電子あるいは光ビームを用いて、ルミネッセンス層からの放出を局部的に誘発することにより読み出すことができる。書込み過程に起因する相変化層の反射率の変化により、検出器９３０に向かって反射されて信号を生成する光の量を変化させることができる。
【００５６】
図９に示される構成では、図のように上から未書込みの領域を通って入射する読出しビームによって、放出された光の少しの部分だけが検出器９３０に向かって反射されるようになる。書込み済みのビット９４０が存在する場合、書込み済みの領域を通って入射する読出しビームによって、図のように上方に放射されるある量の光が、書込み済みのビット９４０から、検出器９３０に向かって反射されるようになる。結果として生成される信号の差が、読出し過程において、書込み済みのビットと未書込みのビットとを区別する能力を提供する。代替的には、読出しビームの反射が、検出器９３０およびそれに続く処理電子回路によって区別できるだけの十分なエネルギー差を与える限り、書込み済みの領域を、未書込みの領域よりも反射性が低いように形成することができる。
【００５７】
検出器９３０が、相変化層とルミネッセンス層とを含む記憶媒体の下に配置されるとき、検出器９３０を、ルミネッセンスが生じる領域に対して大きな立体角に対する（大きな立体角を張る）ように、より容易に形成することができ、それにより、さらに大きな信号を得るための能力が提供される。読出しおよび書込みビーム、またはそれらを生成する装置と干渉することなく、記憶媒体の上方に検出器９３０を配置することは複雑になる可能性がある。たとえば、記憶媒体に対して極めて近接して（集束を容易にするために）動作する電子放出器は、記憶媒体の上方でその立体角の大きな部分に対する（大きな部分を張る）場合があり、その場所に検出器９３０を配置することが不可能になる。
【００５８】
さらに、図９に示される構成は、相変化層９１０がルミネッセンス層９２０の下に配置される構成よりも、書込みタスクを実行するために必要とされる電力を少なくすることができる。また、相変化層９１０がルミネッセンス層９２０の上方に配置される場合には、書込み過程においてルミネッセンス層９２０が損傷を受ける可能性が低くなる。
【００５９】
光学ビームが用いられる場合には、相変化層の相の局部的な変化によって影響を及ぼされる、光学ビームの波長範囲内における相変化層の透過率の差が、ルミネッセンス層９２０に達する光の量を変更し、それにより生成される光の量を変更することができる。相変化層９１０中の読出しビームの透過と、検出器９３０に達する生成されたルミネッセンス光の割合との両方を調整することの組み合わせを用いることもできる。
【００６０】
図１２は、図９に示されるこの第２の代替の実施形態による超高密度データ記憶デバイスにデータを記憶し、それからデータを読み出すための方法の流れ図を示す。ステップ１２００は、ビームを放出することができるビーム源２００を有するデバイスを設けることを規定する。ステップ１２１０は、ビーム源２００に隣接して相変化層９１０を設けることを規定しており、相変化層９２０をビーム源２００によって第１の相から第２の相に局部的に変化させることができる。ステップ１２３０は、相変化層９１０に隣接し、かつビーム源２００から離隔してルミネッセンス層９２０を設けることを規定しており、ルミネッセンス層９２０は、ビームによって衝撃を与えられているときに光を放出することができるルミネッセンス材料を含む。ステップ１２４０は、ルミネッセンス層９２０に隣接し、かつ同じくビーム源２００から離隔して配置される、光エネルギーを検出するための検出器９３０を設けることを規定する。その後、ステップ１２５０は、光ビームを用いて、相変化層９１０の一部を第１の相から第２の相に変化させることによりデータを書き込むことを規定する。最後に、ステップ１２６０は、光ビームでルミネッセンス層９２０において光放出を誘発し、ルミネッセンス層９２０から放出され、検出器９３０に達する光をモニタすることにより、データを読み出すことを規定する。
【００６１】
ここでは「第３の代替の実施形態」と呼ぶ、本発明による構成の別の代替実施形態が、図１０に示されている。図１０によれば、検出器１０１０がルミネッセンス層１０２０の上方に配置され、ルミネッセンス層１０２０はさらに相変化層１０３０上に配置される。この実施形態では、書込み済みのビット１０４０はルミネッセンス層１０２０の下にある。図に示されるように、未書込みのエリアに入射する読出しビームは、検出器１０１０に向かって反射される、比較的少ない量の光を与える。書込み済みのビット上に入射する読出しビームは、この構成では、相変化した書込み済みのビット１０４０から検出器１０１０に向かって反射される、より多くの光を与える。代替的には、再び、読出しビームの反射が、検出器１０１０およびそれに続く処理電子回路によって区別できるだけの十分なエネルギー差を与える限り、書込み済みの領域を、未書込みの領域よりも反射性が低いように形成することができる。この実施形態では、反射層を相変化層１０３０の下に配置することもできることに留意されたい。この実施態様は、状態の変化に伴う、相変化層１０３０の吸収の有利な変化を実現することができる。ルミネッセンス層１０２０から放出される光のある量が、相変化層１０３０を通過して、あるいは通過することなく、反射層から反射し、その後、再び相変化層１０３０を通過して、あるいは通過することなく、ルミネッセンス層１０２０を通って検出器１０１０まで移動することができる。
【００６２】
図１０の実施形態では、ビームを用いて、適切な時間−温度プロファイルで相変化材料を局部的に加熱し、その状態を変更することによりデータが書き込まれる。ほとんどの場合に、ルミネッセンス層１０２０も比較的熱くなり、特にビームのエネルギーのかなりの部分がルミネッセンス層１０２０によって吸収される場合に熱くなる。光子ビームが用いられる場合には、書込みビームがルミネッセンス層１０２０において吸収されない場合に、ルミネッセンス層１０２０の加熱を最小限に抑えることができる。ルミネッセンス層１０２０の厚みが最小限にされる場合には、書込み過程におけるルミネッセンス層１０２０内の最大温度を最小限に抑えることができる。また、書込み過程におけるルミネッセンス層１０２０の加熱は、下層の相変化層１０３０よりも高い熱伝導率を有するルミネッセンス材料を用いることによっても最小限に抑えることができる。ルミネッセンス層の熱伝導率は大きいほどよい。すなわち吸収されたエネルギーの熱拡散により相変化層１０３０内の書込み済みのビット１０４０のサイズが広がることになる。書込み済みのビット１０４０が広がると、情報を記録することができる密度が低下する。ルミネッセンス層１０２０をより薄くことにより、熱拡散の影響を最小限に抑えることができる。
【００６３】
加熱することにより相変化材料の状態を変更する代替形態として、システムは、エネルギーの高い電子あるいは光子を与えて、状態の変化に影響を及ぼすこともできる。エネルギーの高い電子あるいは光子の使用は、例えば、サンプルの或る領域を著しく加熱することなく、電子あるいは光子からのエネルギーを直に吸収することにより、原子間結合の再配列あるいは原子の移動を生じうる。代替的には、これらの効果および加熱の組み合わせを用いて、状態の変化に影響を及ぼすことができる。他の実施形態の場合のように、状態の変化は、非晶質状態と結晶状態との間の変化、および種々の結晶状態間の変化を含む。
【００６４】
この実施形態では、読出しビームのエネルギーは、ルミネッセンス層１０２０に達する前に相変化層１０３０において全く失われない。ルミネッセンス層１０２０が相変化層１０３０の上に配置される場合には、ルミネッセンス層１０２０において強いルミネッセンスをより容易に誘発することができる。さらに、ルミネッセンス層１０２０は、書込み過程において相変化層１０３０のための保護層として機能することができる。詳細には、ルミネッセンス層１０２０は、相変化層１０３０からの材料の消散、昇華あるいは蒸発、および／または相変化材料の形状の望ましくない流動あるいは変化を最小限に抑えることができる。
【００６５】
図１３は、図１０に示されるこの第３の代替の実施形態による超高密度データ記憶デバイスにデータを記憶し、それからデータを読み出すための方法の流れ図を示す。ステップ１３００は、ビームを放出することができるビーム源２００を有するデバイスを設けることを規定する。ステップ１３１０は、光エネルギーを検出するために、ビーム源２００に隣接して検出器１０１０を設けることを規定する。ステップ１３２０は、ビーム源によって第１の相から第２の相に局部的に変化させることができる相変化層１０３０と、検出器８１０と相変化層１０３０との間に位置し、ビームによって衝撃を与えられているときに光を放出することができるルミネッセンス材料を含むルミネッセンス層１０２０とを設けることを規定する。その後、ステップ１３３０は、光ビームを用いて、相変化層１０３０の一部を第１の相から第２の相に変化させることによりデータを書き込むことを規定する。最後に、ステップ１３４０は、光ビームでルミネッセンス層１０２０において光放出を誘発し、ルミネッセンス層１０２０から放出され、検出器１０１０に達する光をモニタすることにより、データを読み出すことを規定する。
【００６６】
上記の実施形態をさらに改善した形態を用いることもできる。特に書込み過程における原子間拡散を最小限に抑えるために、ルミネッセンス層と相変化層との間に拡散障壁を設けることができる。４つ全ての実施形態において、下側にある相変化層あるいはルミネッセンス層と、その下にある基板との間に拡散障壁を設けることも有用な場合がある。ここでの拡散は、加熱による熱拡散ではなく、原子の拡散のことを指す。
【００６７】
ある特定の事例では、信号を最大にするために、反射防止コーティングも有用であり、それは上記の基本的な層設計および第１の代替の実施形態において相変化層の上側および／または下側表面上に反射防止コーティングを設けることを含む。代替的には、上記の第２および第３の代替の実施形態では、反射防止コーティングをルミネッセンス層の上側および／または下側表面上に被着させることができる。反射コーティングは、基本的な層設計ではルミネッセンス層の上側表面上に、上記の第１の代替の実施形態ではルミネッセンス層の下側表面上に被着されるときに、信号を最大にするために有用な場合がある。反射層がルミネッセンス光を検出器に向かって反射させる場合には、有利な特性を実現することができる。反射層が、光学読出しビームのような到来するビームを反射する場合には、反射層は全体的な性能を抑圧する可能性があるので、それを省くことができる。反射コーティングも、第２の代替の実施形態では、相変化材料の上側表面に、第３の代替の実施形態では、相変化材料の下側表面上に被着させることができる。
【００６８】
書込み済みの領域のサイズを最小限に抑える際に、および書込みのために必要とされる電力を最小限に抑えるために、熱拡散障壁も有用な場合がある。ルミネッセンス層と検出器との間に配置される、ある特定の波長あるいは波長範囲の光をフィルタリングして除去する層を用いることもできる。たとえば相変化層が、ルミネッセンス層によって放出される波長のいくつか（またはある範囲）の吸収または反射に差異を与えるだけの場合には、フィルタ層を用いて、相変化層が差異を与えない波長を有する光の全てまたは一部をフィルタリングして除去することができる。この光フィルタリング層を用いることは、調整（例えば変調）されない、または、不完全にしか調整（例えば変調）されない光であって、雑音に寄与する光をフィルタリングして除去することにより、読出し過程の信号対雑音比を改善することができる。
【００６９】
上記のコーティング、障壁層およびオーバーコートは、必要に応じて、読出しビームに対して十分に透過性を有し、読出し過程に対応することができる。電子読出しビームの事例では、より薄い層、および低い質量密度および原子番号を有する材料を用いることにより透過が改善される。また、これらの層は、温度の極限値などの、書込み過程において現れる条件を乗り切ることができる。
【００７０】
大部分の応用形態では、デバイスの全ての層に対して非反応性の材料を選択することにより有利な効果を実現することができる。非反応性の材料を用いることは、書込み過程において特に有利な場合がある。開示した実施形態のルミネッセンス層のルミネッセンスは、可能な場合にはいつでも高速にデータをリードバック（読出し）できるようにするために、十分に速く消滅することができる。ルミネッセンスの推移が遅すぎると、次のビットが読み出されているときに、直前に対象とされた領域が依然としてルミネッセンスを発していることがあり、それによりビット検出が混乱する。
【００７１】
実施形態のうちのいずれにおいても、ルミネッセンス層および相変化層の複数の対を用いて、記憶媒体の面内の所与の場所において２ビット以上を記録することができる。デバイス内の層の対の有利な使用法は、異なる波長範囲において吸収する相変化層と組み合わせて、異なる層の対において異なる波長でルミネッセンスを発するルミネッセンス層を用いることにより達成することができる。たとえば、以下の層の順序を用いることができる。基板（下）、相変化層２、ルミネッセンス層２、相変化層１、ルミネッセンス層１（上）という順である。ルミネッセンス層２は主に、ルミネッセンス層１よりも長い波長においてルミネッセンスを発することができる。相変化層１およびルミネッセンス層１はいずれも、その書込み済みの状態および未書込みの状態の両方において、ルミネッセンス層２によって放出された光に対して大きな透過性を有することができる。２つの検出器、すなわちルミネッセンス層１によって放出された光に対して反応する検出器と、ルミネッセンス層２によって放出された光に対して反応する検出器とを、ルミネッセンス層１の上方に配置することができる。読出し過程において両方のルミネッセンス層を十分に刺激するために、十分な量の読出しビームが両方のルミネッセンス層を通り抜けることができる必要がある。電子ビームの事例では、そのデバイスは、十分に薄い層、および／または一般的に低い質量密度または原子番号を有する材料を用いることができる。光読出しビームの事例では、ルミネッセンス層の上方にある層は、両方のルミネッセンス層を十分に刺激できるようにするだけの十分な透過性を有することができる。同様の考慮すべき事柄が書込み過程にも当てはまる。材料および層厚を、書込みビームが種々の相変化層にアクセスできるようなものとすることができる。この場合、種々の波長を有する複数の光学ビームを用いて、種々の相変化層に書込みを行うことができる。上記の例では、相変化層１が、相変化層２のバンドギャップよりも大きく、かつ、ルミネッセンス層２がルミネッセンスを発するエネルギーよりも大きなバンドギャップを有する半導体である場合には、ルミネッセンス層２によって放出されたルミネッセンスは相変化層１を通過することができる。また、書込みビーム２を用いて相変化層２において書込みを行うことができ、その場合には、書込みビーム２は相変化層１を通過し、書込みビーム２の波長において大きな透過性を有するように選択されるなら、ルミネッセンス層１も通過する。この状況では、書込みビーム２を相変化層２において吸収することができ、それにより、相変化層２の状態を変化させることができる。相変化層１にビットを書き込むために、相変化層１において大きく吸収され、結果として、相変化層２において書込みを行うのに十分な電力密度で相変化層２に達しない別の書込みビーム１を用いることができる。
【００７２】
相変化層を複数の状態に置くことができ、その各状態が、種々のルミネッセンス層によって放出される種々の波長または波長範囲において光の反射率および／または吸収率に差異を与える場合には、デバイスは、１つの相変化層とともに複数のルミネッセンス層を用いることもできる。そのシステムは、一対の相変化層およびルミネッセンス層を用いて、上記の実施形態において複数のビットを書き込むこともできる。そのような書込みは、ルミネッセンス層によって放出された光の反射率または吸収率が相変化層において部分的に変化する（複数の）中間的な状態に相変化層を置くことができる場合に利用することができる。
【００７３】
以下に、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．ビームを送信するように構成されるビーム送信機とともに用いるためのデータ記憶デバイスであって、
前記ビーム送信機からの前記ビームによって衝撃を与えられているときに光を放出することができるルミネッセンス材料を含むルミネッセンス層と、
前記ルミネッセンス層から放出された前記光を検出するために前記ルミネッセンス層の近くに配置される検出器と、
前記ルミネッセンス層と前記検出器との間に配置される相変化層であって、第１の相から第２の相に変化することが可能な相変化層
とを備え、
前記ルミネッセンス層から放出され、前記検出器によって受光される光は、前記相変化層が前記第１の相から前記第２の相に変化するときに大きく異なることからなる、データ記憶デバイス。
２．前記ルミネッセンス層と前記相変化層は隣接し、境界面を共有することからなる、上項１に記載のデバイス。
３．前記境界面は、放射性の再結合度と非放射性の再結合度を有し、それらの各々は、前記相変化層の近傍領域が前記第１の相であるか、前記第２の相であるかによって決まることからなる、上項２に記載のデバイス。
３．前記ルミネッセンス層は、ＹＡＧ系の材料、希土類元素ドーパント、ＹＡＰ系の材料、ＧａＮ、亜鉛酸化物、亜鉛硫化物およびＳｉ３Ｏ４のうちの少なくとも１つを含む、上項１に記載のデバイス。
【００７４】
本発明による媒体記憶装置は、ビーム送信器からのビーム照射を受けている間に光を放出することができるルミネッセンス材料を含むルミネッセンス層(830,920,1020)と、ルミネッセンス層(830,920,1020)から放出された光を検出するための検出器(810,930,1010)と、ルミネッセンス層(830,920,1020)に近接して配置された相変化層(820,910,1030)とから構成される。相変化層(820,910,1030)は、第１の相から第２の相に変化することができる。ルミネッセンス層(830,920,1020)から放出されて、検出器(810,930,1010)によって受光される光は、相変化層(820,910,1030)が第１の相から第２の相に変化するときに大きく変化する。
【００７５】
超高密度のデータを記憶し、読み出すためのデバイス及び方法を例示的な実施形態とともに説明したが、これらの教示に鑑みて数多くの変更が可能であることは当業者には理解されるはずであり、この特許出願はその任意の変形形態を網羅することを意図している。したがって、当業者であれば思い付くことができる変更形態、変形形態および等価な構成の全てまたは任意のものは、特許請求の範囲において規定される本発明の範囲内にあるものと見なされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】関連技術によるデータ記憶デバイスの斜視図である。
【図２】ルミネッセンス層と相変化層とを有するデータ記憶デバイスの断面図である。
【図３】光学的に不透明な第２の相領域が、光が生成されるルミネッセンス層内の場所と検出器との間に配置される、図２に示されるデータ記憶デバイスの断面図である。
【図４】ルミネッセンス層と相変化層とを有し、相変化層が光学的に透明な第１の相領域と反射性の第２の相領域とを含む、データ記憶デバイスの断面図である。
【図５】屈折率整合層と、相変化層と、光学的に活性のナノ粒子を含む光学的に中性の媒体とを含むデータ記憶デバイスの断面図である。
【図６】相変化層内の１つの材料の吸収スペクトルと、同じ材料のシフトされた放出スペクトルとのグラフである。
【図７】基本的な層設計によるデータ記憶デバイスにデータを記憶し、そのデバイスからデータを取り出すための方法の流れ図である。
【図８】ルミネッセンス材料の上に相変化材料を有し、相変化材料上に光検出器あるいは検出器を備えるデータ記憶デバイスの第１の代替の実施形態の断面図である。
【図９】ビーム送信機に隣接し、かつルミネッセンス材料の上に相変化材料を有し、ルミネッセンス材料の下に光検出器あるいは検出器を備えるデータ記憶デバイスの第２の代替の実施形態の断面図である。
【図１０】相変化層の上にルミネッセンス層を有し、ルミネッセンス層の上方に光検出器あるいは検出器を備えるデータ記憶デバイスの第３の代替の実施形態の断面図である。
【図１１】図８の第１の代替の実施形態によるデータ記憶デバイスにデータを記憶し、そのデバイスからデータを取り出すための方法の流れ図である。
【図１２】図９の第２の代替の実施形態によるデータ記憶デバイスにデータを記憶し、そのデバイスからデータを取り出すための方法の流れ図である。
【図１３】図１０の第３の代替の実施形態によるデータ記憶デバイスにデータを記憶し、そのデバイスからデータを取り出すための方法の流れ図である。
【符号の説明】
【００７７】
２００  ビーム源
２２０、８１０、９３０、１０１０  検出器
２３０、８２０、９１０、１０３０  相変化層
２１０、８３０、９２０、１０２０  ルミネッセンス層
【図１】
2005135573.tif 000003
【図２】
2005135573.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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